石河子墾區(qū)降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)現(xiàn)狀分析

朱蓉慧，朱惠芝，張 玲

（1.新疆石河子氣象局，新疆 石河子 832000；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站）

0 引言

降水現(xiàn)象是指液態(tài)、固態(tài)的水汽凝結(jié)物或凍結(jié)物從云中或空中降落到地面的現(xiàn)象，包括雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、米雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、冰粒和冰雹[1]。降水現(xiàn)象是大氣和云層運(yùn)動(dòng)的綜合結(jié)果，是天氣現(xiàn)象中最為重要的一個(gè)組成部分，在影響我國(guó)的15 種災(zāi)害性天氣氣候中，就有4 種屬于降水現(xiàn)象，因而降水現(xiàn)象引起了越來(lái)越多的國(guó)家和社會(huì)組織的關(guān)注。由于降水現(xiàn)象是個(gè)復(fù)雜的大氣物理過(guò)程，需要綜合判斷識(shí)別，導(dǎo)致了降水現(xiàn)象觀測(cè)的自動(dòng)程度明顯滯后于其它地面氣象觀測(cè)要素。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代光電技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外陸續(xù)出現(xiàn)了基于振動(dòng)法、光學(xué)法、攝像法的降水測(cè)量?jī)x器，其具備不同程度的降水特征測(cè)量能力，但也存在不少問(wèn)題。2000年后國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)降水類天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)的研究逐漸增多，主要有德國(guó)OTT Parsivel 雨滴譜儀、美國(guó)OSI 公司 Owi -430 d 氣現(xiàn)象傳感器；2006年我國(guó)開(kāi)展了固態(tài)降水自動(dòng)化試驗(yàn)，2014年7月中國(guó)氣象探測(cè)中心組織6個(gè)型號(hào)的降水現(xiàn)象儀生產(chǎn)廠家分別在北京南郊綜合大氣探測(cè)試驗(yàn)基地和湖南長(zhǎng)沙綜合大氣探測(cè)試驗(yàn)基地進(jìn)行了為期3 個(gè)月的降水現(xiàn)象儀外場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了我國(guó)自主研發(fā)的降水現(xiàn)象儀外場(chǎng)觀測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性，為后期儀器的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)[2]。自2016年以來(lái)，國(guó)內(nèi)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站陸續(xù)安裝了降水天氣現(xiàn)象儀及配套的串口服務(wù)器，對(duì)地面氣象綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行升級(jí)，正式啟用降水現(xiàn)象儀進(jìn)行降水天氣的平行觀測(cè)。降水天氣現(xiàn)象儀實(shí)現(xiàn)了毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等5 種天氣現(xiàn)象的全天候自動(dòng)觀測(cè)，填補(bǔ)了夜間降水現(xiàn)象觀測(cè)的空白，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化和連續(xù)性，提高了降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

2016年以來(lái)，新疆的地面氣象觀測(cè)站陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了降水天氣現(xiàn)象的自動(dòng)觀測(cè)，從人工觀測(cè)到儀器自動(dòng)化觀測(cè)都凝聚了人類巨大的科研成果和心血。本文對(duì)石河子墾區(qū)地面降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，從而了解地面氣象觀測(cè)的新觀點(diǎn)、新理論、新思路和新技術(shù)，展望天氣現(xiàn)象觀測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)現(xiàn)狀

本文中石河子墾區(qū)選取炮自臺(tái)、莫索灣、烏蘭烏蘇和石河子市4 個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1 降水天氣現(xiàn)象的觀測(cè)記錄

石河子墾區(qū)的4 個(gè)氣象觀測(cè)站自2014年1月起地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)調(diào)整后，僅在白天人工進(jìn)行雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、冰雹等8 種天氣現(xiàn)象的連續(xù)觀測(cè)和記錄，而夜間天氣現(xiàn)象僅記錄發(fā)生的現(xiàn)象，不記錄天氣現(xiàn)象起止時(shí)間。自2016年10月起，在石河子墾區(qū)的氣象站陸續(xù)安裝了江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)的DSG1型降水現(xiàn)象儀，2017年實(shí)現(xiàn)了雨、毛毛雨、雪、雨夾雪和冰雹5 類降水天氣現(xiàn)象的24 h 連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)。

1.2 降水量的觀測(cè)和記錄

降水量觀測(cè)是降水現(xiàn)象觀測(cè)的重要組成部分，可以觀測(cè)降水量的儀器種類繁多，石河子墾區(qū)的4個(gè)氣象站自2008年起夏季使用翻斗式余量傳感器，冬季仍然為人工稱量降水量；2012年安裝使用了稱

重式余量傳感器，結(jié)束了冬季人工測(cè)量降水量的歷史，降水量的觀測(cè)完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

1.3 降水類天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)質(zhì)量

由于人工與自動(dòng)降水現(xiàn)象觀測(cè)在觀測(cè)時(shí)間和測(cè)量原理方面存在著比較明顯的差異。當(dāng)人工觀測(cè)改為自動(dòng)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行平行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性、準(zhǔn)確性等方面的質(zhì)量進(jìn)行分析，了解兩種觀測(cè)方式獲取的資料序列差異。2018年8月，墾區(qū)的4個(gè)臺(tái)站對(duì)近年的人工降水現(xiàn)象觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)觀測(cè)降水現(xiàn)象數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)整理，對(duì)人工與自動(dòng)辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。通過(guò)研究自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)資料的差異特征，統(tǒng)計(jì)分析兩種觀測(cè)方法的相關(guān)性，并從中找出誤差原因，對(duì)了解自動(dòng)站測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，延長(zhǎng)觀測(cè)資料時(shí)間序列，提高降水現(xiàn)象要素氣候系列連續(xù)性及氣候統(tǒng)計(jì)可靠性有著重要作用，同時(shí)，也為天氣預(yù)報(bào)、氣象信息、氣候分析等提供了科學(xué)依據(jù)。

2 降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)面臨的問(wèn)題

2.1 觀測(cè)原理與方法的利弊

石河子墾區(qū)4 個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站的降水天氣現(xiàn)象，自建站以來(lái)一直為人工觀測(cè)，人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)也被作為標(biāo)準(zhǔn)值使用，但是人工觀測(cè)存在主觀性強(qiáng)、簡(jiǎn)單化、定性化及觀測(cè)頻次少等缺陷，不能全面、連續(xù)地反映天氣現(xiàn)象變化，易出現(xiàn)漏記等問(wèn)題。自動(dòng)觀測(cè)可以在客觀、定量的結(jié)合大氣物理、天氣動(dòng)力、氣象探測(cè)等領(lǐng)域知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種信息的綜合分析，合理判定發(fā)生的降水天氣現(xiàn)象。這些連續(xù)的、高頻次的觀測(cè)，獲取了更多有價(jià)值的氣象信息，減輕了觀測(cè)人員的工作量，但由于降水類天氣現(xiàn)象儀的取樣空間有限，且采樣區(qū)的環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)的影響很大，與人工觀測(cè)存在差異，造成與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)間存在一些誤差。

2.2 專業(yè)理論基礎(chǔ)薄弱

由于新型降水天氣現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)儀器，采用了大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)控制和模塊化結(jié)構(gòu)以及一些新型的專用探測(cè)元器件，且儀器價(jià)格也很昂貴，各臺(tái)站幾乎沒(méi)有備份儀器，受傳統(tǒng)裝備保障和管理工作的影響，基層臺(tái)站業(yè)務(wù)人員普遍存在重使用、輕維護(hù)的思想，儀器裝備一旦出現(xiàn)故障，就得逐級(jí)上報(bào)維修，這樣嚴(yán)重影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。隨著地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化程度的提高，各氣象臺(tái)站常常出現(xiàn)一人身兼數(shù)職的現(xiàn)象，不僅需要進(jìn)行地面氣象觀測(cè)工作，還要處理臺(tái)站工作中的日常事務(wù)，這樣就影響了觀測(cè)人員的精力，導(dǎo)致觀測(cè)工作中出現(xiàn)一些問(wèn)題。另外，從事地面氣象觀測(cè)的工作人員不斷減少，并且觀測(cè)人員自身專業(yè)技能有限，參加業(yè)務(wù)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)較少，日常工作中專業(yè)知識(shí)的積累和更新不夠，導(dǎo)致自動(dòng)觀測(cè)儀器出現(xiàn)故障時(shí)缺乏自主解決問(wèn)題的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

任何的降水天氣現(xiàn)象觀測(cè)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，若要實(shí)現(xiàn)降水天氣象觀測(cè)的全面、連續(xù)和定量化，進(jìn)行降水現(xiàn)象的自動(dòng)化觀測(cè)是必然途徑，并且國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)做了大量的試驗(yàn)測(cè)試，使得降水現(xiàn)象自動(dòng)觀測(cè)在技術(shù)方法和手段上已經(jīng)比較完善，儀器運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)，觀測(cè)結(jié)果也得到了業(yè)務(wù)部門的廣泛認(rèn)同。觀測(cè)人員要適應(yīng)氣象觀測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展需要，依托網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)新儀器設(shè)備和技術(shù)規(guī)范不斷的學(xué)習(xí)掌握，通過(guò)開(kāi)展觀測(cè)數(shù)據(jù)的臺(tái)站級(jí)質(zhì)量控制，初步分析數(shù)據(jù)結(jié)果和應(yīng)用研發(fā)，逐步由傳統(tǒng)的觀測(cè)員變成裝備保障員、質(zhì)量控制員、資料分析員和災(zāi)害監(jiān)測(cè)員，從而適應(yīng)新時(shí)期觀測(cè)工作的需求。

隨著經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展，降水現(xiàn)象自動(dòng)化識(shí)別的應(yīng)用越來(lái)越普及，要求也越來(lái)越高。當(dāng)前，我們國(guó)家在地面氣象探測(cè)與裝備核心技術(shù)方面，包括觀測(cè)方法和算法等研究與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距，如何有效提升自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)水平具有非常重要的意義。其不僅能夠減輕氣象觀測(cè)人員的工作壓力，還能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人觀測(cè)區(qū)域相關(guān)天氣現(xiàn)象的自動(dòng)化識(shí)別，為氣象服務(wù)和氣象災(zāi)害提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。